Лазерное излучение, его использование в медицине

Лекция 6.

1. Оптические квантовые генераторы (ОКГ)

2. Природа и свойства лазерного излучения.

3. Воздействие лазерного излучения на организм.

4. Использование лазера в медицине.

1. Квантовыми генераторами электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов называются устройства, предназначенные для генерирования когерентных монохроматических узконаправленных пучков излучения большой мощности, основанные на вынужденном излучении атомов и молекул.

Квантовые генераторы излучения в области длин волн видимого и ик-излучений от 0,38 до 3 мкм называют оптическими квантовыми генераторами, или лазерами. Лазер-это прибор, который усиливает свет с помощью вынужденного излучения.

Квантовые генераторы излучения в области больших длин волн (микроволн) называются мюзерами.

2. В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают 2 вида излучения. Если возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, такое излучение называется спонтанным. Оно случайно и хаотично.

Другое излучение вынужденное, или индуцированное. Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергии. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в одном направлении 2 фотона: один-первичный, вынуждающий, а другой-вторичный, испущенный..

При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых за 1с, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество в это же время, т.е. от интенсивности света. Кроме того, вынужденные переходы будут определяться заполненностью, или, как говорят, населенностью соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношнениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны.

Усиление э/м волн можно вызвать используя активную среду, в которой хотя бы для двух уровней было распределение частиц, обратное бользмановскому (инверсная населенность).

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая соответствующие частицы, например, светом или электрическим разрядом.

При электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня 1 на возбужденный уровень 3. Для чистого неона время жизни на это уровне мало и атомы переходят на уровни 1 и 2, реализуя больцмановское распределение. Для создания инверсной населенности нужно каким-то образом увеличить населенность уровня 3 и уменьшить на уровне2.

Атомы гелия способствуют увеличению населенности уровня 3. Первый возбужденный уровень гелия совпадает с уровнем 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии.

Для разгрузки уровня 2 подбирают такой размер газоразрядной трубки, чтобы при соударении с ее стенками атом неона отдавая энергию, переходя с уровня 2 на 1. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

В газоразрядной трубке (обычно кварцевой), d≈7мм, при Р~1ГПа находится смесь гелия и неона.В трубку вмонтированы электроды 3 для создания газового разряда. На концах трубки расположены плоско-параллельные зеркала 4 и 5, одно из них 5 полупрозрачное. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности трубки, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Т.о., пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходить наружу через полупрозрачное зеркало 5. Основные свойства лазерного излучения – строгая монохроматичность, достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

3. Воздействие лазера на организм во многом схоже с воздействием электромагнитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов. На молекулярном уровне такое воздействие приводит к изменению энергетических уровней молекул живого вещества, их перестройке, коагуляции белковых структур.

Физиологические эффекты лазерного воздействия связаны с фотодинамическим эффектом фотореактивации, эффектом стимуляции или угнетения биопроцессов, изменением функционального состояния как отдельных систем, так и организма в целом.

3. Использование лазера в медицине

Высокоэнергетические лазеры применяются в качестве лазерного скальпеля в онкологии. При этом достигается рациональное иссечение опухоли с минимальным повреждением окружающих тканей, причем операцию можно выполнять вблизи структур мозга с большой функциональной значимостью.

Кровопотеря при применении луча лазера гораздо меньше, рана полностью стерилизуется, а отек в послеоперационном периоде минимальный.

Особенно эффективен лазер в микрохирургии глаза. Он позволяет проводить лечение глаукомы посредством «прокалывания» его лучом микроскопических отверстий для оттока внутриглазной жидкости. Лазером осуществляется безоперационное лечение отслойки сетчатки.

В оперативной эндоскопии луч лазера может быть направлен для осуществления фотокоагуляционного эффекта в желудочно-кишечный тракт, трахею, мочевой пузырь, для радикального удаления опухоли и т.д.

Волоконную оптику в эндоскопе позднее применили для проведения высокоинтенсивных лазерных лучей, разрушающих камни мочевых путей. Лазерная литотрипсия обеспечивает быстрое и малотравматичное освобожение от камней с помощью ударной лазерной волны.

Низкоэнергетическое лазерное излучение оказывает противовоспалительное, анальгезирующее действие, изменяет тонус сосудов, улучшает обменные процессы, ускоряет регенерацию тканей, снижает инабилизацию. Лазерное излучение применяется в онкологии, офтальмологии, дерматологии, хирургии, отоларингологии, гинекологии, урологии и т.д.

Примеры решения задач

1. Терапевтический гелий-неоновый лазер, работающий в непрерывном режиме, даст излучение монохроматического света с длиной волны =630нм, развивая мощность Р=40мВт. Сколько излучает лазер за 1с?

Решение: Мощность лазера может быть записана как , где Е-энергия излучения, t-время.,Энергия излучения складывается из энергий отдельных фотонов , число которых можно обозначить через N. Здесь -частота фотона. Учитывая, что можно записать:

2. При удалении полипа хирургическим путем используется луч гелий-неонового лазера мощностью N=10мВт, сфокусированного на пятне диаметром d=0,4мм. Лазер дал вспышку продолжительностью t=1c. Определить энергию вспышки и плотность мощности (Вт/м²) на пятне.

Решение: Энергия вспышки Е=Nt=10мДж. Плотность мощности на пятне равна

Вт/м²

Дата добавления: 2014-01-07